KR101467548B1

KR101467548B1 - 무인항공기의 항온 장치

Info

Publication number: KR101467548B1
Application number: KR1020130029060A
Authority: KR
Inventors: 이재근; 박민찬; 정순배
Original assignee: (주)에코에너지 기술연구소; (주)스마텍
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2014-12-11
Also published as: KR20140115432A

Abstract

본 발명은 무인항공기에 장착되는 전장품들의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 무인항공기의 항온 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무인항공기의 항온 장치는, 구동시 발열온도가 서로 다른 전장품 각각을 별도로 수용하는 복수개의 제1 단열케이스와, 제1 단열케이스 전부를 수용하는 제2 단열케이스로 마련되어, 전장품을 이중으로 단열하는 단열부; 제2 단열케이스의 일측에 마련되며, 외기와 열교환하여 제2 단열케이스의 내부 온도를 하강시키는 냉각부; 제2 단열케이스의 타측에 마련되며, 열을 발생시켜 제2 단열케이스의 내부 온도를 상승시키는 발열부; 무인항공기의 냉원 또는 열원에 선택적으로 냉매를 순환시켜 제2 단열케이스의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하는 히트펌프부; 제1 단열케이스 마다 마련되며, 제2 단열케이스로부터 각각의 제1 단열케이스로 순환되는 공기 순환량을 조절하는 공조부; 및 제2 단열케이스의 목표온도에 따라 냉각부, 발열부 또는 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 제2 단열케이스의 내부 온도를 조절하며, 제1 단열케이스 각각의 목표온도에 따라 공조부를 제어하여 제1 단열케이스 각각의 내부 온도를 조절하는 온도 제어부를 포함한다.

Description

무인항공기의 항온 장치{THERMOSTAT APPARATUS FOR UNMANED AERIAL VEHICLE}

본 발명은 무인항공기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무인항공기에 장착되는 전장품들의 온도를 일정하게 유지시키기 위한 무인항공기의 항온 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 무인항공기는 조종사를 탑승하지 않고 지정된 임무를 수행할 수 있도록 제작한 비행체로서 독립된 체계 또는 우주와 지상체계들과 연동시켜 운용한다. 활용분야에 따라 다양한 장비, 예컨대 광학, 적외선, 레이더 센서 등을 탑재하여 감시, 정찰, 정밀공격무기의 유도, 통신 및 정보중계 등의 임무를 수행하며, 폭약을 장전시켜 정밀무기 자체로도 개발되어 실용화되고 있어 향후 미래의 주요 군사력 수단으로 주목을 받고 있다.

이와 같은 무인항공기는 주로 정찰 임무를 위한 정찰기로 사용되는 점에서 저소음화, 경량화, 고효율화가 요구되고 있으며, 무인항공기는 이와같은 요구에 부응하여 별도의 내연기관 없이, 배터리, 연료전지, 전자보드 등의 전장품만으로 구성되고 있는 실정이다.

상기의 전장품들은 운용시 과다한 열을 발생시키기 때문에 고온에 의한 오작동 또는 파손을 방지하기 위하여 냉각 수단을 필요로 하는 반면, 높은 고도에서 운용하기 때문에 저온에 의한 오작동 또는 파손을 방지하기 위하여 가열 수단 또한 필요로 한다.

하지만, 종래 무인항공기의 경우, 단일의 냉각기와 가열기를 구비하여 전장품들을 일괄적으로 냉각하거나 가열하기 때문에, 운용조건 및 환경에 따라 서로 다른 온도를 유지하여야 하는 전장품 각각에 대해서는 개별적으로 온도 조절을 하지 못하는 문제점이 있으며, 각 전장품이 정상적으로 제기능을 발휘하지 못하는 문제점이 있다. 또한, 무인항공기의 항온 유지 효율이 저하될 뿐만 아니라, 한정된 에너지원을 보유하는 무인항공기의 특성상 항공기 운용 전반에서 에너지 사용 효율이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 무인항공기의 운용조건 및 환경에 따라 서로 다른 온도를 유지하여야 하는 전장품 각각에 대해서 개별적으로 온도 조절을 할 수 있는 무인항공기의 항온 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 무인항공기의 항온 유지 효율을 향상시킬 수 있는 무인항공기의 항온 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하려는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 무인항공기의 항온 장치는, 구동시 발열온도가 서로 다른 전장품 각각을 별도로 수용하는 복수개의 제1 단열케이스와, 제1 단열케이스 전부를 수용하는 제2 단열케이스로 마련되어, 전장품을 이중으로 단열하는 단열부; 제2 단열케이스의 일측에 마련되며, 외기와 열교환하여 제2 단열케이스의 내부 온도를 하강시키는 냉각부; 제2 단열케이스의 타측에 마련되며, 열을 발생시켜 제2 단열케이스의 내부 온도를 상승시키는 발열부; 무인항공기의 냉원 또는 열원에 선택적으로 냉매를 순환시켜 제2 단열케이스의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하는 히트펌프부; 제1 단열케이스 마다 마련되며, 제2 단열케이스로부터 각각의 제1 단열케이스로 순환되는 공기 순환량을 조절하는 공조부; 및 제2 단열케이스의 목표온도에 따라 냉각부, 발열부 또는 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 제2 단열케이스의 내부 온도를 조절하며, 제1 단열케이스 각각의 목표온도에 따라 공조부를 제어하여 제1 단열케이스 각각의 내부 온도를 조절하는 온도 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 전장품은, 전자보드, 배터리 및 연료전지를 포함하며, 제1 단열케이스는, 전자보드를 수용하여 단열시키는 전자보드 단열케이스와, 배터리를 수용하여 단열시키는 배터리 단열케이스와, 연료전지를 수용하여 단열시키는 연료전지 단열케이스를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 공조부는, 전자보드 단열케이스에 마련되는 전자보드 공조팬과, 배터리 단열케이스에 마련되는 배터리 공조팬과, 연료전지 단열케이스에 마련되는 연료전지 공조팬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 냉각부는, 제2 단열케이스의 일측면을 관통하여 마련되어 제2 단열케이스 내부의 열을 외부로 전도하는 히트싱크핀과, 내기를 히트싱크핀에 순환시키는 내기순환팬과, 외기를 히트싱크핀에 순환시키는 외기순환팬을 포함하며, 발열부는, 제2 단열케이스의 타측면에 마련되어 열을 발생시키는 발열체와, 발열체의 열기를 제2 단열케이스의 내부로 공급하는 열기공급팬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 히트펌프부는, 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기와, 냉원인 외기에 접촉되도록 마련되어 열교환하는 외기 열교환기와, 열원인 태양전지패널에 마련되어 열교환하는 태양전지패널 열교환기와, 제2 단열케이스의 내부에 마련되어 열교환하는 단열케이스 열교환기와, 압축기와 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 외기 열교환기 또는 태양전지패널 열교환기 중 어느 하나와 연결되도록 전환하는 사방밸브 및 삼방밸브와, 외기 열교환기의 토출로에 마련되어 냉매를 기화시키는 제1 기화 밸브와, 태양전지패널 열교환기의 유입로에 마련되어 냉매를 기화시키는 제2 기화 밸브와, 단열케이스 열교환기의 냉기 또는 열기를 제2 단열케이스 내부로 공급하는 열교환팬을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 온도 제어부는, 제2 단열케이스의 온도를 하강시키기 위하여, 냉각부 또는 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 히트펌프부를 작동시키는 경우에는 압축기와 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 외기 열교환기와 연결되도록 전환시키며, 제2 단열케이스의 온도를 상승시키기 위하여, 발열부 또는 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 히트펌프부를 작동시키는 경우에는 압축기와 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 태양전지패널 열교환기와 연결되도록 전환시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 온도 제어부는, 제2 단열케이스의 온도를 상승시키는 경우, 주간에는 히트펌프부를 작동시키고, 야간에는 발열부를 작동시키는 것과 함께, 공조부를 더 제어하여 전장품 중 연료전지를 수용하는 제1 단열케이스 내부의 열기를 제2 단열케이스로 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 히트펌프부는, 제1 단열케이스의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하기 위한 냉매 공급로가 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 전장품은, 전자보드, 배터리 및 연료전지를 포함하고, 제1 단열케이스는, 전자보드를 수용하여 단열시키는 전자보드 단열케이스와, 배터리를 수용하여 단열시키는 배터리 단열케이스와, 연료전지를 수용하여 단열시키는 연료전지 단열케이스를 포함하며, 냉매 공급로는, 전자보드 단열케이스와, 배터리 단열케이스와, 연료전지 단열케이스의 내부를 순차적으로 통과하고, 냉매 공급로 상에서, 전자보드 단열케이스의 전단에 제1 팽창밸브를 마련하고, 배터리 단열케이스의 전단에 제2 팽창밸브를 마련하고, 연료전지 단열케이스의 전단에 제3 팽창밸브를 마련하고, 배터리 단열케이스의 토출단으로부터 연료전지 단열케이스의 토출단으로 직접 연결되는 바이패스 공급로를 더 마련하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무인항공기가 상공에서 배터리를 충전하며 연료전지를 운용하는 경우, 가열된 상태의 냉매를 전자보드 단열케이스와, 배터리 단열케이스에 순차적으로 공급하여 온도를 상승시키고, 제3 팽창밸브의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 연료전지 단열케이스에 공급하여 온도를 하강시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무인항공기가 이륙시 배터리를 운용하는 경우, 제1 팽창밸브의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 전자보드 단열케이스와, 배터리 단열케이스에 순차적으로 공급하여 온도를 하강시킨 후, 바이패스 공급로로 냉매를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상공에서 무인항공기에 마련되는 태양전지와 함께, 배터리를 운용하는 경우, 가열된 상태의 냉매를 전자보드 단열케이스에 공급하여 온도를 상승시키고, 제2 팽창밸브의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 배터리 단열케이스에 공급하여 온도를 하강시킨 후, 바이패스 공급로로 냉매를 공급하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 무인항공기의 항온 장치는, 연료전지 단열케이스의 내측면에서 전기저항에 의해 발열하는 면상 발열체를 더 포함하여, 야간에는 면상 발열체를 작동시키는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 무인항공기의 항온 장치는, 운용조건 및 환경에 따라 서로 다른 온도를 유지하여야 하는 전장품 각각에 대해서 개별적으로 온도 조절할 수 있으며, 이에 따라 각 전장품이 최상의 상태에서 제기능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 무인항공기의 항온 장치는, 항온 유지 효율을 향상시켜, 한정된 에너지원을 보유하는 무인항공기의 특성상 항공기 운용 전반에서 에너지 사용 효율을 최대한 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치의 냉각 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치의 가열 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치를 나타낸 도면으로, 무인항공기의 운용조건 및 환경에 따른 동작 특성을 각각 나타낸 도면이다.

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.

<제1 실시예>

도 1 내지 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치의 냉각 동작을 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치의 가열 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치는, 단열부(100), 냉각부(200), 발열부(300), 히트펌프부(400), 공조부(500) 및 온도 제어부를 포함한다.

단열부(100)는 구동시 발열온도가 서로 다른 전장품 각각을 별도로 수용하는 복수개의 제1 단열케이스(110)와, 제1 단열케이스(110) 전부를 수용하는 제2 단열케이스(120)로 마련되어, 전장품을 이중으로 단열한다. 구체적으로, 전장품은, 전자보드(10), 배터리(20) 및 연료전지(30)를 포함하며, 제1 단열케이스(110)는, 전자보드(10)를 수용하여 단열시키는 전자보드 단열케이스(110a)와, 배터리(20)를 수용하여 단열시키는 배터리 단열케이스(110b)와, 연료전지(30)를 수용하여 단열시키는 연료전지 단열케이스(110c)를 포함하는 것이 가능하다. 한편, 단열부(100)의 재질은 단열성이 우수하며 중량이 낮은 에어로겔로 형성하는 것이 바람직하다.

냉각부(200)는 제2 단열케이스(120)의 일측에 마련되며, 외기와 열교환하여 제2 단열케이스(120)의 내부 온도를 하강시킨다. 구체적으로, 냉각부(200)는, 제2 단열케이스(120)의 일측면을 관통하여 마련되어 제2 단열케이스(120) 내부의 열을 외부로 전도하는 히트싱크핀(210)과, 내기를 히트싱크핀(210)에 순환시키는 내기순환팬(220)과, 외기를 히트싱크핀(210)에 순환시키는 외기순환팬(230)을 포함하는 것이 가능하다.

발열부(300)는 제2 단열케이스(120)의 타측에 마련되며, 열을 발생시켜 제2 단열케이스(120)의 내부 온도를 상승시킨다. 구체적으로, 발열부(300)는, 제2 단열케이스(120)의 타측면에 마련되어 열을 발생시키는 발열체(310)와, 발열체(310)의 열기를 제2 단열케이스(120)의 내부로 공급하는 열기공급팬(320)을 포함하는 것이 가능하다. 여기서, 발열체(310)는 제2 단열케이스(120) 내에서 충분히 열을 발생시킬 수 있으며 장착이 용이하도록 면상발열체 또는 열선으로 형성하는 것이 바람직하다.

히트펌프부(400)는 무인항공기의 냉원 또는 열원에 선택적으로 냉매를 순환시켜 제2 단열케이스(120)의 내부에 냉기 또는 열기를 공급한다.

구체적으로, 히트펌프부(400)는, 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기(410)와, 냉원인 외기에 접촉되도록 마련되어 열교환하는 외기 열교환기(420)와, 열원인 태양전지패널에 마련되어 열교환하는 태양전지패널 열교환기(430)와, 제2 단열케이스(120)의 내부에 마련되어 열교환하는 단열케이스 열교환기(440)와, 압축기(410)와 단열케이스 열교환기(440) 사이의 냉매 순환로를 외기 열교환기(420) 또는 태양전지패널 열교환기(430) 중 어느 하나와 연결되도록 전환하는 사방밸브(450) 및 삼방밸브(460)와, 외기 열교환기(420)의 토출로에 마련되어 냉매를 기화시키는 제1 기화 밸브(470)와, 태양전지패널 열교환기(430)의 유입로에 마련되어 냉매를 기화시키는 제2 기화 밸브(480)와, 단열케이스 열교환기(440)의 냉기 또는 열기를 제2 단열케이스(120) 내부로 공급하는 열교환팬(490)을 포함하는 것이 가능하다.

공조부(500)는 제1 단열케이스(110) 마다 마련되며, 제2 단열케이스(120)로부터 각각의 제1 단열케이스(110)로 순환되는 공기 순환량을 조절한다. 구체적으로, 공조부(500)는, 전자보드 단열케이스(110a)에 마련되는 전자보드 공조팬(510)과, 배터리 단열케이스(110b)에 마련되는 배터리 공조팬(520)과, 연료전지 단열케이스(110c)에 마련되는 연료전지 공조팬(530)을 포함하는 것이 가능하다.

온도 제어부는 제2 단열케이스(120)의 목표온도에 따라 냉각부(200), 발열부(300) 또는 히트펌프부(400) 중 적어도 어느 하나를 제어하여 제2 단열케이스(120)의 내부 온도를 조절하며, 제1 단열케이스(110) 각각의 목표온도에 따라 공조부(500)를 제어하여 제1 단열케이스(110) 각각의 내부 온도를 조절한다.

구체적으로, 온도 제어부(도시하지 않음)는, 제2 단열케이스(120)의 온도를 하강시키기 위하여, 냉각부(200) 또는 히트펌프부(400) 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 히트펌프부(400)를 작동시키는 경우에는 도 2와 같이, 압축기(410)와 단열케이스 열교환기(440) 사이의 냉매 순환로를 외기 열교환기(420)와 연결되도록 전환시킨다. 한편, 본 발명의 온도 제어부는 도 1 내지 도 7에서 별도로 도시되어 있지 않지만, 실질적으로 전자보드(10)에 포함되어 구성될 수 있다.

또한, 온도 제어부는, 제2 단열케이스(120)의 온도를 상승시키기 위하여, 발열부(300) 또는 히트펌프부(400) 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 히트펌프부(400)를 작동시키는 경우에는 도 3과 같이, 압축기(410)와 단열케이스 열교환기(440) 사이의 냉매 순환로를 태양전지패널 열교환기(430)와 연결되도록 전환시키도록 한다.

한편, 주간과 야간에 따라 온도 제어부의 동작 특성을 구분해보면, 제2 단열케이스(120)의 온도를 상승시키는 경우, 주간에는 히트펌프부(400)를 작동시키고, 야간에는 발열부(300)를 작동시키는 것과 함께, 공조부(500)를 더 제어하여 전장품 중 연료전지(30)를 수용하는 제1 단열케이스(110) 내부의 열기를 제2 단열케이스(120)로 공급하는 것이 가능하다. 이는 주간에 태양전지패널이 발열되어 열원으로 사용 가능한 점과, 연료전지(30) 운용시 많은 열이 발생하는 점에서 착안된 것이다.

이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에서는, 무인항공기의 전장품 중 항온이 필요한 전장품들을 밀폐 및 단열된 공간에 위치시키고, 내부공간 온도를 일정범위 내에서 항온이 되도록 유지하는 한편, 개별 전장품들은 필요에 따라 각 공조팬을 가동하여 냉각(cooling)과 가열(heating)을 하도록 개별 제어하도록 한다.

구체적으로, 냉각 동작에서는, 외부의 낮은 온도를 직접 활용하여 최소한의 전력소모(팬 구동 전력)로 냉각 효과를 극대화 할 수 있으며, 효율이 높은 히트펌프부를 보조적인 냉각 시스템으로 활용하여 냉각 효과 부족시 원활하게 대응할 수 있으므로, 전체적인 소모 전력도 줄여서 무인항공기의 운항 시간을 연장 시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 가열 동작에서는, 무인항공기 자체 열원에서의 발열을 내부 공간으로 흡수함으로써 발열부의 발열량을 최소화시킬 수 있다. 즉, 낮 시간대에는 태양전지패널 시스템과 히트펌프부를 연계하여 높은 효율의 가열이 가능하며, 밤 시간대에는 연료 전지에서 발열되는 열을 직접 활용함으로써, 발열부에서의 발열량을 최소화 할 수 있으므로, 전체적인 소모 전력도 줄여서 무인항공기의 운항 시간을 연장 시킬 수 있는 장점이 있다.

여기서, 냉각 동작 및 가열 동작 간에, 히트펌프부는 사방밸브 및 삼방밸브를 활용하여 필요에 따라 손쉽게 냉기 공급과 열기 공급 상태로 전환 할 수 있음은 물론이다.

한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치의 동작예를 각각의 목표온도에 따라 살펴보기로 한다.

먼저, 목표온도가 10~40℃인 제2 단열케이스(120)의 온도가 상승하는 경우, 제2 단열케이스(120)가 35℃ 이상이 되면, 내기순환팬(220)과 외기순환팬(230)을 구동한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 38℃ 이상이 되면, 히트펌프부(400)를 냉각 모드로 구동하여 제2 단열케이스(120) 내에 냉기를 공급한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 30℃ 이하로 낮아지면, 히트펌프부(400)의 냉기공급 동작을 중지한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 25℃ 이하로 낮아지면, 내기순환팬(220)과 외기순환팬(230)의 동작을 중지한다.

반면, 목표온도가 10~40℃인 제2 단열케이스(120)의 온도가 하강하는 경우, 제2 단열케이스(120)가 20℃ 이하가 되면, 히트펌프부(400, 주간) 또는 발열부(300, 야간)를 구동한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 15℃ 이하가 되면, 전자보드 공조팬(510), 배터리 공조팬(520) 및 연료전지 공조팬(530)을 최대 속도로 구동한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 25℃ 이상이면, 전자보드 공조팬(510), 배터리 공조팬(520) 및 연료전지 공조팬(530)을의 동작을 중지한다. 또한, 제2 단열케이스(120)가 30℃ 이상이면 히트펌프부(400)의 열기공급 동작을 중지한다.

다음으로, 목표온도가 5~50℃인 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)의 온도가 상승하는 경우, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 35℃ 이상이 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)을 중간 속도로 구동한다. 또한, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 45℃ 이상이 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)을 최대 속도로 구동한다. 또한, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 30℃ 이하가 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)의 동작을 중지한다.

반면, 목표온도가 5~50℃인 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)의 온도가 하강하는 경우, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 15℃ 이하가 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)을 중간 속도로 구동한다. 또한, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 10℃ 이하가 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)을 최대 속도로 구동한다. 또한, 전자보드 단열케이스(110a) 및 배터리 단열케이스(110b)가 30℃ 이하가 되면, 전자보드 공조팬(510) 및 배터리 공조팬(520)의 동작을 중지한다.

다음으로, 목표온도가 20~70℃인 연료전지 단열케이스(110c)의 온도가 상승하는 경우, 연료전지 단열케이스(110c)가 60℃ 이상이 되면, 연료전지 공조팬(530)을 중간 속도로 구동한다. 또한, 연료전지 단열케이스(110c)가 65℃ 이상이 되면, 연료전지 공조팬(530)을 최대 속도로 구동한다. 또한, 연료전지 단열케이스(110c)가 55℃ 이하가 되면, 연료전지 공조팬(530)의 동작을 중지한다.

반면, 연료전지(30)는 작동 중에는 항상 발열체이므로 가열 동작 제어는 별도로 하지 않는다. 다만, 연료전지(30)의 구동 시작시 온도가 부족하면, 연료전지 공조팬(530)을 최대 속도로 구동하고, 25℃ 이상이면, 연료전지 공조팬(530)의 동작을 중지한다.

<제2 실시예>

도 4 내지 도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치를 나타낸 도면으로, 무인항공기의 운용조건 및 환경에 따른 동작 특성을 각각 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 히트펌프부(400)는, 제1 단열케이스(110)의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하기 위한 냉매 공급로(610)가 더 형성되는 것이 가능하다. 냉매 공급로(610)가 더 형성됨으로써, 무인항공기의 운용조건 및 환경에 따라 각 전장품의 온도 조절을 더욱더 효과적으로 행할 수 있고, 보다 효율적으로 행할 수 있다. 여기서, 도 4 내지 도 7에서는 냉매 공급로(610)가 압축기(410)에 직접 연결되는 구성을 도시하고 있으나, 도 1 내지 도 3의 항온 장치에서 제2 단열케이스(120)의 내부에 마련되는 단열케이스 열교환기(440)의 유입로 또는 토출로로부터 바이패스되도록 연결하는 것도 가능하다.

구체적으로, 냉매 공급로(610)는, 전자보드 단열케이스(110a)와, 배터리 단열케이스(110b)와, 연료전지 단열케이스(110c)의 내부를 순차적으로 통과하고, 냉매 공급로(610) 상에서, 전자보드 단열케이스(110a)의 전단에 제1 팽창밸브(620)를 마련하고, 배터리 단열케이스(110b)의 전단에 제2 팽창밸브(630)를 마련하고, 연료전지 단열케이스(110c)의 전단에 제3 팽창밸브(640)를 마련하고, 배터리 단열케이스(110b)의 토출단으로부터 연료전지 단열케이스(110c)의 토출단으로 직접 연결되는 바이패스 공급로(650)를 더 마련하도록 한다. 여기서, 도 4 내지 도 7의 각각의 운용 모드에서를 동작 특성을 보다 명확하게 나타내기 위해, 각 도면의 운용 모드에서 기화 동작을 위해 사용되는 팽창밸브만을 나타내었으며, 도 5 내지 도 7에서는 연료전지 단열케이스(110c)를 통과하는 냉매 공급로(610) 부분을 생략하고 냉매가 공급되는 바이패스 공급로(650)만을 나타내었다.

이후, 본 발명의 제2 실시예에 따른 항온 장치의 각각의 운용 모드에서의 동작 특성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 도 4와 같이, 무인항공기가 대기 온도 -50℃ ~ -60 ℃인 상공에서 배터리를 충전하며 연료전지를 운용하는 경우, 히트펌프부(400)는, 가열된 상태의 냉매를 냉매 공급로(610)를 통하여 전자보드 단열케이스(110a)와, 배터리 단열케이스(110b)에 순차적으로 공급하여 온도를 상승시키고, 제3 팽창밸브(640)의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 연료전지 단열케이스(110c)에 공급하여 온도를 하강시킨다. 연료전지 단열케이스(110c)에서 토출되는 냉매는 히트펌프부(400)로 유입된다.

또한, 도 5와 같이, 무인항공기가 대기 온도 25℃ ~ 40 ℃인 지상에서 이륙시 배터리를 운용하는 경우, 히트펌프부(400)가 가열된 상태의 냉매를 냉매 공급로(610)를 통하여 공급할 때 제1 팽창밸브(620)의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 전자보드 단열케이스(110a)와, 배터리 단열케이스(110b)에 순차적으로 공급하여 온도를 하강시킨 후, 바이패스 공급로(650)로 냉매를 공급한다. 바이패스 공급로(650)를 통해 냉매는 히트펌프부(400)로 유입된다.

또한, 도 6과 같이, 무인항공기가 대기 온도 -50℃ ~ -60 ℃인 상공에서 무인항공기에 마련되는 태양전지와 함께, 배터리를 운용하는 경우, 히트펌프부(400)는, 가열된 상태의 냉매를 냉매 공급로(610)를 통하여 전자보드 단열케이스(110a)에 공급하여 온도를 상승시키고, 제2 팽창밸브(630)의 개도를 감소시켜 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 냉매를 배터리 단열케이스(110b)에 공급하여 온도를 하강시킨 후, 바이패스 공급로(650)로 냉매를 공급한다. 바이패스 공급로(650)를 통해 냉매는 히트펌프부(400)로 유입된다.

또한, 도 7과 같이, 무인항공기의 항온 장치는, 연료전지 단열케이스(110c)의 내측면에서 전기저항에 의해 발열하는 면상 발열체(660)를 더 포함하여, 야간에는 면상 발열체(660)를 작동시키는 것이 가능하다. 즉, 대기 온도 -50℃ ~ -60 ℃인 상공에서 연료전지(30)의 정지시 또는 구동 시작시 온도가 낮으므로, 면상 발열체(660)를 동작시켜 연료전지(30)를 별도로 가열하는 것이 가능하다. 면상 발열체(660)는 히트펌프부(400)의 전장품으로부터 전기 에너지를 공급받을 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치는, 운용조건 및 환경에 따라 서로 다른 온도를 유지하여야 하는 전장품 각각에 대해서 개별적으로 온도 조절할 수 있으며, 이에 따라 각 전장품이 최상의 상태에서 제기능을 발휘할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 무인항공기의 항온 장치는, 항온 유지 효율을 향상시켜, 한정된 에너지원을 보유하는 무인항공기의 특성상 항공기 운용 전반에서 에너지 사용 효율을 최대한 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 전자보드
20 : 배터리
30 : 연료전지
100 : 단열부
110 : 제1 단열케이스
110a : 전자보드 단열케이스
110b : 배터리 단열케이스
110c : 연료전지 단열케이스
120 : 제2 단열케이스
200 : 냉각부
210 : 히트싱크핀
220 : 내기순환팬
230 : 외기순환팬
300 : 발열부
310 : 발열체
320 : 열기공급팬
400 : 히트펌프부
410 : 압축기
420 : 외기 열교환기
430 : 태양전지패널 열교환기
440 : 단열케이스 열교환기
450 : 사방밸브
460 : 삼방밸브
470 : 제1 기화 밸브
480 : 제2 기화 밸브
490 : 열교환팬
500 : 공조부
510 : 전자보드 공조팬
520 : 배터리 공조팬
530 : 연료전지 공조팬
610 : 냉매 공급로
620 : 제1 팽창밸브
630 : 제2 팽창밸브
640 : 제3 팽창밸브
650 : 바이패스 공급로
660 : 면상 발열체

Claims

구동시 발열온도가 서로 다른 전장품 각각을 별도로 수용하는 복수개의 제1 단열케이스와, 상기 제1 단열케이스 전부를 수용하는 제2 단열케이스로 마련되어, 상기 전장품을 이중으로 단열하는 단열부;
상기 제2 단열케이스의 일측에 마련되며, 외기와 열교환하여 상기 제2 단열케이스의 내부 온도를 하강시키는 냉각부;
상기 제2 단열케이스의 타측에 마련되며, 열을 발생시켜 상기 제2 단열케이스의 내부 온도를 상승시키는 발열부;
무인항공기의 냉원 또는 열원에 선택적으로 냉매를 순환시켜 상기 제2 단열케이스의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하는 히트펌프부;
상기 제1 단열케이스 마다 마련되며, 상기 제2 단열케이스로부터 각각의 상기 제1 단열케이스로 순환되는 공기 순환량을 조절하는 공조부; 및
상기 제2 단열케이스의 목표온도에 따라 상기 냉각부, 상기 발열부 또는 상기 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 제어하여 상기 제2 단열케이스의 내부 온도를 조절하며, 상기 제1 단열케이스 각각의 목표온도에 따라 상기 공조부를 제어하여 상기 제1 단열케이스 각각의 내부 온도를 조절하는 온도 제어부;
를 포함하며,
상기 전장품은, 전자보드, 배터리 및 연료전지를 포함하며,
상기 제1 단열케이스는, 상기 전자보드를 수용하여 단열시키는 전자보드 단열케이스와, 상기 배터리를 수용하여 단열시키는 배터리 단열케이스와, 상기 연료전지를 수용하여 단열시키는 연료전지 단열케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 공조부는, 상기 전자보드 단열케이스에 마련되는 전자보드 공조팬과, 상기 배터리 단열케이스에 마련되는 배터리 공조팬과, 상기 연료전지 단열케이스에 마련되는 연료전지 공조팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제1항에 있어서,
상기 냉각부는, 상기 제2 단열케이스의 일측면을 관통하여 마련되어 상기 제2 단열케이스 내부의 열을 외부로 전도하는 히트싱크핀과, 내기를 상기 히트싱크핀에 순환시키는 내기순환팬과, 외기를 상기 히트싱크핀에 순환시키는 외기순환팬을 포함하며,
상기 발열부는, 상기 제2 단열케이스의 타측면에 마련되어 열을 발생시키는 발열체와, 상기 발열체의 열기를 상기 제2 단열케이스의 내부로 공급하는 열기공급팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프부는, 냉매를 압축하여 순환시키는 압축기와, 냉원인 외기에 접촉되도록 마련되어 열교환하는 외기 열교환기와, 열원인 태양전지패널에 마련되어 열교환하는 태양전지패널 열교환기와, 상기 제2 단열케이스의 내부에 마련되어 열교환하는 단열케이스 열교환기와, 상기 압축기와 상기 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 상기 외기 열교환기 또는 상기 태양전지패널 열교환기 중 어느 하나와 연결되도록 전환하는 사방밸브 및 삼방밸브와, 상기 외기 열교환기의 토출로에 마련되어 상기 냉매를 기화시키는 제1 기화 밸브와, 상기 태양전지패널 열교환기의 유입로에 마련되어 상기 냉매를 기화시키는 제2 기화 밸브와, 상기 단열케이스 열교환기의 냉기 또는 열기를 상기 제2 단열케이스 내부로 공급하는 열교환팬을 포함하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제5항에 있어서,
상기 온도 제어부는,
상기 제2 단열케이스의 온도를 하강시키기 위하여, 상기 냉각부 또는 상기 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 상기 히트펌프부를 작동시키는 경우에는 상기 압축기와 상기 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 상기 외기 열교환기와 연결되도록 전환시키며,
상기 제2 단열케이스의 온도를 상승시키기 위하여, 상기 발열부 또는 상기 히트펌프부 중 적어도 어느 하나를 작동시키되, 상기 히트펌프부를 작동시키는 경우에는 상기 압축기와 상기 단열케이스 열교환기 사이의 냉매 순환로를 상기 태양전지패널 열교환기와 연결되도록 전환시키는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제6항에 있어서,
상기 온도 제어부는,
상기 제2 단열케이스의 온도를 상승시키는 경우, 주간에는 상기 히트펌프부를 작동시키고, 야간에는 상기 발열부를 작동시키는 것과 함께, 상기 공조부를 더 제어하여 상기 전장품 중 연료전지를 수용하는 제1 단열케이스 내부의 열기를 상기 제2 단열케이스로 공급하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제1항에 있어서,
상기 히트펌프부는, 상기 제1 단열케이스의 내부에 냉기 또는 열기를 공급하기 위한 냉매 공급로가 더 형성되는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제8항에 있어서,
상기 전장품은, 전자보드, 배터리 및 연료전지를 포함하고, 상기 제1 단열케이스는, 상기 전자보드를 수용하여 단열시키는 전자보드 단열케이스와, 상기 배터리를 수용하여 단열시키는 배터리 단열케이스와, 상기 연료전지를 수용하여 단열시키는 연료전지 단열케이스를 포함하며,
상기 냉매 공급로는, 상기 전자보드 단열케이스와, 상기 배터리 단열케이스와, 상기 연료전지 단열케이스의 내부를 순차적으로 통과하고,
상기 냉매 공급로 상에서, 상기 전자보드 단열케이스의 전단에 제1 팽창밸브를 마련하고, 상기 배터리 단열케이스의 전단에 제2 팽창밸브를 마련하고, 상기 연료전지 단열케이스의 전단에 제3 팽창밸브를 마련하고, 상기 배터리 단열케이스의 토출단으로부터 상기 연료전지 단열케이스의 토출단으로 직접 연결되는 바이패스 공급로를 더 마련하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제9항에 있어서,
상공에서 상기 배터리를 충전하며 상기 연료전지를 운용하는 경우, 가열된 상태의 상기 냉매를 상기 전자보드 단열케이스와, 상기 배터리 단열케이스에 순차적으로 공급하여 온도를 상승시키고, 상기 제3 팽창밸브의 개도를 감소시켜 상기 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 상기 냉매를 상기 연료전지 단열케이스에 공급하여 온도를 하강시키는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제9항에 있어서,
이륙시 상기 배터리를 운용하는 경우, 상기 제1 팽창밸브의 개도를 감소시켜 상기 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 상기 냉매를 상기 전자보드 단열케이스와, 상기 배터리 단열케이스에 순차적으로 공급하여 온도를 하강시킨 후, 상기 바이패스 공급로로 냉매를 공급하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제9항에 있어서,
상공에서 무인항공기에 마련되는 태양전지와 함께, 상기 배터리를 운용하는 경우, 가열된 상태의 상기 냉매를 상기 전자보드 단열케이스에 공급하여 온도를 상승시키고, 상기 제2 팽창밸브의 개도를 감소시켜 상기 냉매를 기화시키며, 냉각된 상태의 상기 냉매를 상기 배터리 단열케이스에 공급하여 온도를 하강시킨 후, 상기 바이패스 공급로로 냉매를 공급하는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.
제12항에 있어서,
상기 연료전지 단열케이스의 내측면에서 전기저항에 의해 발열하는 면상 발열체를 더 포함하여, 야간에는 상기 면상 발열체를 작동시키는 것을 특징으로 하는 무인항공기의 항온 장치.